發(fā)布時(shí)間：2020-08-20 19:22

【摘要】：在傳統(tǒng)傳感技術(shù)的傳感方式、傳感靈敏度和實(shí)時(shí)性等方面均出現(xiàn)瓶頸期的情況下,光纖傳感技術(shù)作為一種新型傳感技術(shù),以光纖為傳感介質(zhì),具有靈敏度高、傳播帶寬大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在建筑工程、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大。其中光纖Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用光纖傳感技術(shù),解決了傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)中存在檢測(cè)盲區(qū)、組網(wǎng)復(fù)雜等問(wèn)題,具有傳感距離長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、靈敏度高等特性,廣泛應(yīng)用在周邊安防監(jiān)控、石油和煤氣管道安全監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。但是目前的Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證系統(tǒng)空間分辨率和信噪比等指標(biāo),其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要保持信號(hào)高速采集,這就帶來(lái)了數(shù)據(jù)量龐大且傳輸時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,導(dǎo)致設(shè)備體積大、造價(jià)高、更新升級(jí)困難。為此本文通過(guò)分析Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的瑞利后向散射信號(hào),設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集方案,優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理算法并制作出樣機(jī),在保證Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)性能的同時(shí)極大的減少了設(shè)備體積,降低了成本。具體研究?jī)?nèi)容如下所示:(1)研究光纖中瑞利后向散射信號(hào)的原理,在此基礎(chǔ)上對(duì)Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析并研究其相干探測(cè)原理。研究系統(tǒng)的主要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。確定了以FPGA為主控的Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集方案。(2)根據(jù)本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集方案,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照功能電路分類,并分別對(duì)其進(jìn)行芯片選型和電路設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)關(guān)鍵信號(hào)線進(jìn)行了專門(mén)的SI(信號(hào)完整性)設(shè)計(jì)。并在PCB上進(jìn)行了功能驗(yàn)證和性能測(cè)試。(3)在搭建的硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。按照自上而下的思路對(duì)軟件進(jìn)行功能模塊劃分。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)算法進(jìn)行了優(yōu)化,解決了IQ解調(diào)算法中數(shù)據(jù)取正和差分累加算法中N值選取等問(wèn)題。在減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的情況下提高了信噪比,并完成系統(tǒng)的原型驗(yàn)證和功能優(yōu)化。(4)在實(shí)驗(yàn)室和高速公路隧道分別進(jìn)行模擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)和車輛振動(dòng)檢測(cè)。在模擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,傳感光纖長(zhǎng)度為2.8km,系統(tǒng)的信噪比為14.8dB;空間分辨率為30m;刷新率為1Hz,動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。在車輛振動(dòng)檢測(cè)中,光纖長(zhǎng)度為3km,測(cè)試效果良好,同樣也檢測(cè)到了振動(dòng)信號(hào)。證明本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能良好,設(shè)計(jì)方案有效,滿足Φ-OTDR振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中信號(hào)采集和處理的功能。
【學(xué)位授予單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

現(xiàn)實(shí)生活中的瑞利散射的現(xiàn)象如：天空呈現(xiàn)藍(lán)色、晚霞呈現(xiàn)紅橙色在制作過(guò)程中由于熱擾動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)的原因使得光纖密度不均勻，雜質(zhì)的影響，引起折射率的不均勻。這種折射率的不均勻使得光波中發(fā)生瑞利散射。同時(shí)由于光纖對(duì)光波的束縛，光纖中的瑞利散射兩個(gè)傳播方向。脈沖光的脈寬W 與其瑞利散射功率RP 滿足公式：2vPPSWRs P 表示脈沖光的峰值功率；S 表示后向散射光功率捕獲因子；s 表v表示光在光纖中的速度。 2-1 所示，入射光在光纖中向前傳輸時(shí)，會(huì)在傳播路線上與光纖中瑞利后向散射光。由于光纖中存在損耗，使得光波在光纖傳輸中存公式（2-1）可知，峰值功率的衰減使得光纖不同位置處的瑞利后同時(shí)瑞利散射信號(hào)中包含光波的偏振態(tài)等信息。通過(guò)檢測(cè)瑞利后向，可對(duì)光纖外部的環(huán)境變量進(jìn)行探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作用在光纖上的、擾動(dòng)等信號(hào)的提取。

第二章 系統(tǒng)理論與方案設(shè)計(jì)測(cè)瑞利后向散射信號(hào)的干涉強(qiáng)度提取出振動(dòng)點(diǎn)的信息[13]。 為光纖中瑞利后向散射光的干涉模型[14]，如果 A 點(diǎn)的瑞利后向向散射光為一個(gè)探測(cè)光脈沖的寬度，探測(cè)光脈沖從 A 點(diǎn)繼續(xù)生的瑞利后向散射光向后走，當(dāng)探測(cè)光和 C 點(diǎn)產(chǎn)生的瑞利后時(shí)，探測(cè)光在 B 點(diǎn)產(chǎn)生的瑞利后向散射光和 C 點(diǎn)產(chǎn)生的瑞利輸，且同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖 2-2 光纖中瑞利后向散射干涉模型統(tǒng)的 OTDR 系統(tǒng)采用寬譜光脈沖，減弱了瑞利后向散射光的干涉強(qiáng)度寬激光源進(jìn)行 OTDR 測(cè)試時(shí)，瑞利后向散射曲線會(huì)因相干衰落效應(yīng)從隨機(jī)波動(dòng)曲線，造成系統(tǒng)的信噪比低[15]。相對(duì)于 OTDR 系統(tǒng)Φ-OTDR寬的激光源，相干長(zhǎng)度更長(zhǎng)，瑞利后向散射信號(hào)之間更容易發(fā)生干涉，中瑞利后向散射光疊加干涉的強(qiáng)度變化對(duì)振動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位。 2-3 為Φ-OTDR 振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖[16]，窄線寬的激光源經(jīng)調(diào)制器由沖光后[17]，經(jīng)過(guò)環(huán)形器輸送到傳感光纖中，從環(huán)形器另一端輸出的瑞利光電探測(cè)器接收，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理從而得到傳感光纖范圍內(nèi)的擾動(dòng)或溫度等信息。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2798346